读懂ToF传感器，看这一篇就够了！

您是否听说过在手机，相机等中使用的飞行时间传感器，也称为ToF传感器，但不知道它们的用途和作用原理？

通过本文，您将了解有关ToF传感器和照相机的所有信息：

什么是飞行时间传感器？

飞行时间传感器如何工作？

使用飞行时间传感器的好处

ToF的局限性

一．什么是飞行时间（ToF）传感器？

什么是飞行时间相机？它是捕捉飞机飞行的相机吗？它与飞机或飞机有关吗？好吧，实际上距离还很远！

ToF是物体，粒子或波传播一段距离所花费的时间的度量。您知道蝙蝠的声纳系统有效吗？飞行时间系统与此类似！

飞行时间传感器种类繁多，但大多数是飞行时间相机和激光扫描仪，它们使用称为激光雷达（光检测和测距）的技术，通过用红外光照射来测量图像中各个点的深度。

使用ToF传感器生成和捕获的数据非常有用，因为它可以提供行人检测，基于面部特征的用户身份验证，使用SLAM（同时定位和映射）算法的环境映射等等。

该系统实际上广泛用于机器人，自动驾驶汽车，甚至现在是您的移动设备。举个例子，如果您使用的是华为P30 Pro,Oppo RX17 Pro,LG G8 ThinQ,则您的手机配有ToF摄像头！

二．飞行时间传感器如何工作？

现在，我们对飞行时间传感器是什么有了一个简短的了解，它如何工作？

ToF传感器使用微小的激光发射红外光，其中产生的光会从任何物体反弹并返回到传感器。根据光的发射与被物体反射后返回传感器之间的时间差，传感器可以测量物体与传感器之间的距离。

今天，我们将探讨ToF使用旅行时间确定距离和深度的2种方法，它们是：

使用定时脉冲

使用调幅波的相移

使用定时脉冲：

例如，它的工作方式是首先用激光照射目标，然后用扫描仪测量反射光，然后使用光速推算出物体的距离，从而精确地计算出行进的距离。此外，然后使用激光返回时间和波长的差异来进行目标的精确数字3D表示和表面特征，并在视觉上绘制出其各个特征。

正如您在上面看到的那样，这是首先发射激光并从物体反射回传感器的过程。借助激光返回时间，ToF摄像机能够在给定光传播速度的情况下在短时间内测量出准确的距离。（ToF转换为距离）这是分析人员用来得出对象的精确距离的公式：

（光速x飞行时间）/ 2

ToF时间脉冲

如您所见，计时器将在灯光熄灭期间启动，并且当接收器接收到返回灯时，计时器将返回时间。当两次相减时，获得了光的“飞行时间”，并且光速是恒定的，因此可以使用上面的公式轻松计算距离。这样，可以确定物体表面上的所有点。

使用调幅波的相移：

接下来，ToF还可以使用连续波来检测反射光的相移以确定深度和距离。

通过调制振幅，它可以创建具有已知频率的正弦形式的光源，从而使检测器能够确定反射光的相移并使用以下公式：

其中c是光速（c = 3×10^8 m / s），λ是一个波长（λ= 15 m），f是频率，传感器上的每个点都可以很容易地计算出深入。

随着我们以光速工作，所有这些事情都发生得非常快。您能想象传感器能够测量的精度和速度吗？让我举一个例子，光以每秒30万公里的速度传播，如果一个物体离您5m,光离开相机与返回之间的时间差约为33纳秒，仅相当于0.000000033秒！哇！更不用说，捕获的数据将针对图像中的每个像素，为您提供精确的3D数字表示。

无论使用哪种原理，提供能够照亮整个场景的光源都可以使传感器确定所有点的深度。这样的结果为您提供了一个距离图，其中每个像素编码到场景中相应点的距离。以下是ToF范围图的示例：

现在我们知道ToF可以工作了，为什么很好呢？为什么要使用它？他们有什么好处？不用担心，使用ToF传感器的优点很多，当然也有一定的局限性。

三．使用飞行时间传感器的好处

精确快速的测量

与其他距离传感器（例如超声波或激光）相比，飞行时间传感器能够非常快速地组成场景的3D图像。例如，ToF相机仅需一次即可完成此操作。不仅如此，ToF传感器能够在短时间内准确地检测物体，并且不受湿度，气压和温度的影响，使其适合于室内和室外使用。

长距离

由于ToF传感器使用激光，因此它们也能够高精度地测量远距离和范围。例如，我们的RPLiDAR S1便携式ToF激光扫描仪套件？的射程为40m!因此，ToF传感器具有灵活性，因为它们能够检测各种形状和大小的近距离和远距离物体。

从某种意义上说，它也是灵活的，因为您能够自定义系统的光学部件，以实现最佳性能，您可以在其中选择发射器和接收器类型以及透镜，以获得所需的视野。

安全

担心从ToF传感器发出的激光会伤害您的眼睛吗？别担心！现在，许多ToF传感器都使用低功率红外激光作为光源，并通过调制脉冲驱动它。传感器达到1类激光安全标准，可确保其对人眼的安全。

具有成本效益

与其他3D深度范围扫描技术（例如结构化光相机系统或激光测距仪）相比，ToF传感器与它们相比要便宜得多。

尽管有所有这些限制，ToF仍然非常可靠，并且是捕获3D信息的非常快速的方法。

四．ToF的局限性

尽管ToF有很多好处，但它也有局限性。ToF的一些局限性包括：

散射光

如果非常明亮的表面离您的ToF传感器很近，它们可能会将太多的光散射到您的接收器中，并产生伪影和不必要的反射，因为您的ToF传感器只需要反射一次的光即可进行测量。

多重反射

在角落和凹形上使用ToF传感器时，它们可能会导致不必要的反射，因为光可能会多次反射，从而使测量失真。

环境光

在明亮的阳光下户外使用ToF相机可能会导致户外使用困难。这是由于阳光的高强度会导致传感器像素快速饱和，从而无法检测到从物体反射的实际光。

结语：

飞行时间传感器可用于多种应用中。从3D制图，工业自动化，障碍物检测，自动驾驶汽车，农业，机器人技术，室内导航，手势识别，对象扫描，测量量，监视到增强现实！ToF技术的应用层出不穷。

您对ToF传感器有何想法？你会用它做什么？欢迎在下面留言评论~